毫米波技术基础

jack_are · 发表于 2023-2-24 10:17

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什么是毫米波？
顾名思义，毫米波是波长 (λ) 约为 1 毫米（更准确地说是 1 至 10 毫米）的电磁波。使用方程式f = c /λ 将该波长转换为频率，其中c是光速 (3 * 10 8 m/s)，得出 30-300 GHz 的频率范围。国际电信联盟 (ITU) 将毫米波频段指定为“极高频”(EHF) 频段。术语“毫米波”也经常简称为“mmWave”。

图 1 包括使用毫米波频谱的应用示例，还展示了毫米波频谱相对于其他电磁频段的位置。

图 1.毫米波频谱概览
现在我们有了基本的定义，让我们来谈谈毫米波信号是如何传播的。

毫米波传播
毫米波信号传播的特点是：

高自由空间路径损耗
明显的大气衰减
漫反射
穿透深度有限
以下小节将更详细地检查这四种传播特性中的每一种。

自由空间路径损耗
毫米波射频 (RF) 通信的一个限制是两个天线之间直接视距通信的自由空间路径损耗 (FSPL)。FSPL 与波长的平方成反比，由下式给出：
FSPL = (4πd/λ)2

where:
d是两个天线之间的距离，单位为 m
λ是以米为单位的波长。
从这个等式可以看出，波长减少 10 倍会导致自由空间路径损耗增加 100 倍。因此，毫米波长的衰减比 FM 收音机或 Wi-Fi 等更传统的通信频率的衰减高许多数量级。

在 RF 通信计算中，通常会转换此损耗方程以提供以 dB 为单位的结果，其中频率以 GHz 测量，距离以 km 测量。转换后，等式变为：
FSPL(dB)=20∗log10(d)+20∗log10(f)+92.45
大气衰减
毫米波传输的另一个缺点是大气衰减。在此波长范围内，存在大气气体（主要是氧气 (O2) 和水蒸气 (H2O) 分子）引起的额外衰减。

从图 2 中可以看出，某些频段的大气衰减可能非常严重。

图 2.频率和高度的大气衰减

例如，氧峰位于 5 mm (60 GHz)。雨会增加整个频谱的衰减。

漫反射
较长的波长通常依赖于直接（镜面）反射功率来帮助绕过障碍物传输（想想镜面反射）。然而，许多表面对毫米波来说显得“粗糙”，这会导致漫反射，从而将能量发送到许多不同的方向。这可以在图 3 中看到。

图 3.漫反射和镜面反射

因此，较少的反射能量可能到达接收天线。因此，毫米波传输非常容易受到障碍物的遮蔽，并且通常仅限于视线传输。

有限的渗透
由于波长较短，毫米波不会深入或穿透大多数材料。例如，一项对普通建筑材料的研究发现，衰减范围约为 1 至 6 dB/cm，并且 70 GHz 时穿过砖墙的穿透损耗可能是 1 GHz 时的五倍。在户外，树叶也会阻挡大多数毫米波。因此，大多数毫米波通信仅限于视距操作。

毫米波频率的优势
对于许多应用，自由空间路径损耗、大气衰减、漫反射和毫米波信号的有限穿透都是有害的。然而，事实证明，这些特性也可以在某些应用中发挥优势。毫米波的优点包括：

宽带宽
高数据速率
低延迟
小型天线
范围有限
有限的反思
渗透有限
提高分辨率
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这些优势中的每一个以及它们在某些应用程序中的利用方式将在以下小节中进行解释。

宽带宽和高数据速率
对于通信应用，宽带宽意味着更高的峰值数据速率。这可能意味着能够为给定的数据速率处理更多的同时通信通道，或者在单个通信中发送更多的数据。较低的频谱被大量使用，因此无法提供这些理想的宽带宽。

例如，3GPP 的 5G 新无线电 (NR) 规范分配的最大信道带宽仅为 6 GHz 以下的 100 MHz，但在 24 GHz 以上的频段中分配的最大信道带宽高达 400 MHz。随着这些 5G 规范的不断发展，一些各方正在游说在毫米波频谱中分配更宽的带宽。

正是由于这些宽带宽和高数据速率，毫米波长期以来一直用于 27.5 GHz 和 31 GHz 的卫星通信。包括碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 在内的高频电路技术的进步以及相关的较低制造成本正在将毫米波通信带入地面掩模市场消费应用，例如 5G NR。

低延迟
通信网络中的延迟可以有多种含义。对于单向通信，延迟是从源发送数据包到目的地接收相同数据包的时间。毫米波的频率越高，意味着可以在更短的时间内传输更多的数据。因此，对于固定的数据包大小，高频系统的延迟将低于低频系统。

低延迟对于许多对时间敏感的应用非常重要，包括工业自动化、无线增强现实或虚拟现实以及自动驾驶系统。毫米波的宽带宽可实现更短的传输时间间隔和更低的无线电接口延迟，以促进引入和支持对低延迟敏感的应用程序。

小型天线
毫米波最重要的优势之一是天线更小，并且能够在阵列中使用大量这些更小的天线元件来实现波束成形。例如，汽车雷达正在从 24 GHz 过渡到 77 GHz。波长小三倍多，因此天线阵列面积可以小九倍多，如图 4 所示。

图 4. 24 GHz 和 77 GHz 的相对天线阵列尺寸

由非常小的天线元件组成的大型阵列也将用于 5G 等毫米波通信系统。波束成形可以将辐射功率集中到单个用户，以获得更高质量的信号和更远距离的通信。通过自适应波束成形，波束甚至可以根据用户数量及其相对于发射天线的位置动态变化。

有限的范围、反射和穿透
有限的范围、漫反射和有限的穿透深度实际上可能对电信有利。正在利用这些特性来允许许多小蜂窝彼此非常靠近地放置而不会干扰。这提供了频谱的空间再利用，因此允许在一个区域中支持更多的高带宽消费者。

提高分辨率
在雷达应用中，毫米波信号的更高频率和更高带宽支持更精确的距离测量、更精确的速度测量，以及分辨两个相距很近的物体之间的能力。

毫米波技术的应用
雷达
多年来，航空航天雷达应用是毫米波技术的主要应用。宽带宽非常适合确定到物体的距离，分辨两个距离很近的远距离物体，以及测量到目标的相对速度。
例如，在其最基本的形式中，假设两个物体直接朝向或远离彼此移动，多普勒频移 (Δf) 由以下等式给出：

where
Vrel是相对速度 (m/s)
λ 是波长 (m)
由于波长越短（如毫米波）频移越大，因此更容易测量由此产生的频移。使用更小的多元件天线和自适应波束成形的能力也使毫米波成为雷达应用的理想选择。

出于同样的原因，毫米波雷达适用于航空航天应用，它也被广泛用于自动车辆应用，包括紧急制动、自适应巡航控制 (ACC) 和盲点检测（如图 5 所示）。

图 5.毫米波雷达在自动驾驶汽车中的应用

快速准确地测量距离和相对速度的能力对于自动驾驶车辆的操作显然很重要。

电信
由于宽带、低延迟、小型天线和多天线阵列波束成形，卫星系统长期以来一直使用毫米波进行通信。这些相同的功能正在推动许多地面电信网络采用毫米波。

例如，由于带宽增加，毫米波可以支持超高清（UHD）视频的无线传输。此外，更小的天线支持集成到智能手机、数字机顶盒、游戏机等设备中。将采用毫米波的新兴行业标准包括 5G 和用于 Gb/s 数据速率的 IEEE 802.11ad WiGig。

特别是在室内和城市环境中，毫米波的空间重用和自适应波束成形将使高带宽通信能够交付给大量用户，如图 6 所示。

图 6.支持固定和移动用户的自适应波束成形

大规模 MIMO（多输入多输出）系统将支持空间分集、空间复用和波束成形，从而在使用更低功耗的同时为更多用户提供更好的功能。

安全扫描仪
毫米波也用于人体安全扫描仪。如图 7 所示，数以千计的发射和接收天线协同工作以进行高精度扫描。

图 7.毫米波人体扫描仪系统。

这些系统在 70 GHz 到 80 GHz 之间的频率范围内传输，并且仅发射大约 1 mW 的功率。毫米波穿过大部分衣物并从皮肤和其他表面反射回接收天线。接收到的信号可用于创建个人的详细图像并显示隐藏在衣服下的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度提供了更高的安全性。

毫米波的其他应用
这些只是毫米波技术众多应用中的一小部分。已提出或实施的其他应用包括但不限于：